《现代控制理论基础》课程教学大纲
课程编号：
课程名称：现代控制理论
英文名称：Modern  Control  Theory
课程性质:                考试
学时：  42学时（讲授36学时+6学时实验）
适用对象:  工业自动化
先修课程：自动控制理论，线性代数，工程数学
一、编写说明
（一）本课程的性质、地位和作用
现代控制理论是自动化专业的主干技术基础课，它是在经典控制理论的基础上建立和发展起来的。本课
程是以状态空间理论为核心，对动态系统进行分析和研究。它不但可以解决单变量线性定常系统，还可以解决多变量、时变、非线性系统的问题。通过本门课程的学习，使学生掌握线性控制系统的状态空间描述，能够对线性系统的几种模型进行互相转化; 掌握线性控制系统的运动规律及连续系统的离散化；熟悉线性控制系统的能控性与能观测性概念及其判定准则；了解控制系统的李亚普诺夫稳定性理论; 掌握线性控制系统的状态反馈与状态观测器的设计方法。通过对本课程的学习，要求学生系统地获得现代控制理论的基本知识，切实掌握所涉及的基本概念、基本理论和基本方法，为后继课程的学习奠定良好的理论基础.
（二）教学基本要求
1. 掌握现代控制理论的基本知识及其分析方法，能够用状态空间表达式来描述系统，并根据系
统的微分方程建立其状态空间表达式的方法。
2. 掌握系统特征值的求取方法，掌握线性定常系统非齐次方程的解和线性时变系统的解的求取
方法，以及离散时间系统状态方程的两种解法。
3. 掌握能控性、能观性的定义及各自的判别准则。
4.掌握用李雅普诺夫第一法和第二法分析系统的稳定性的方法。
5. 对线性系统理论的新发展有所了解。
6. 为学生进一步的学习打下必要的基础。
（三）课程教学方法与手段
以课堂讲授为主，辅以习题、实验等环节。
（四）实践环节
通过计算机仿真，主要运用Matlab软件使学生能初步掌握MATLAB工具包，并用它在计算机环境中进行控制‘实验’，对控制系统进行分析与综合，以提高学生的系统分析和综合能力。
1．实验：系统的传递函数阵和状态空间表达式的转换
主要内容与要求：熟悉实验环境，熟悉编程系统的使用，掌握从系统的传递函数式求状态空间表达式以及由状态空间表达式求系统的传递函数之间的转换。
学时分配：2学时
2. 实验：多变量系统的能控性和能观测性分析
主要内容与要求：通过编程实现对系统的能控性及能观测性进行分析。
学时分配：2学时
3. 实验：系统设计：状态观测器的设计
主要内容与要求：通过用MATLAB编程、上机调试，掌握用状态反馈配置极点的方法，掌握状态观测器的设计方法
学时分配：2学时
（五）教学时数分配表
教学内容各教学环节学时分配
章节主要内容
讲
授
实
验
讨
论
习
题
课
外
其它
小
计
采用何种多媒
体教学手段
0绪论1
1
线性系统的状态空间描
述
92
2线性系统的运动分析6
3
线性系统的能控性与能
观性
82
4控制系统的稳定性分析6
5状态反馈与状态观测器62
合计366
（六）本课程与其它课程的联系
本课程应位于《高等数学》、《工程数学（包括积分变换、线性代数、复变函数）》、《电路分析》、《模拟电子技术》、《电力拖动与运动控制》、《自动控制理论》等课程之后开设。为学习其他有关课程及今后从事生产技术工作奠定必要的基础。其后续课程有《开关电源的设计与应用》、《过程控制系统》、《计算机控制系统》等。本课程宜安排在本科第5学期或第6学期进行。
（七）教材与主要参考书
《现代控制理论基础》（第2版）梁慧冰孙炳达，机械工业出版社
《现代控制理论》谢克明主编，李国勇副主编，郑大钟主审，清华大学出版社，2007年4月。《现代控制理论》（第3版）刘豹唐万生主编，机械工业出版社，2008年4月第3版第7次印。
《现代控制理论基础》尤昌德主编，电子工业出版社，1996年7月第一版。
《控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用》薛定宇，清华大学出版社，1996年6月。
（八）说明
实验内容可以根据实验设备及具体情况稍加变动。
二、教学内容纲要
绪论
重点讲述现代控制理论与经典控制理论的联系与区别，以及现代控制理论的主要内容。
第一章线性控制系统的状态空间描述
一、教学基本要求
通过具体的物理系统，介绍建立系统的状态空间模型的方法，使学生了解系统中“状态变量”
与“状态矢量”的概念；掌握状态空间和状态空间的描述方法；掌握用方块图将系统的传递函数表达为由积分器、放大器、比较器各环节组成的形式；掌握离散系统的状态空间模型以及将离散系统的差分方程、脉冲传递函数化为状态空间模型的方法；了解状态空间描述与输入-输出描述之间的相互关系；重点
掌握将一般状态方程化为对角线规范型和约当规范型的方法。
二、教学内容
第一节状态空间分析法
1. 实例讲解
2. 状态变量与状态矢量
3. Δ状态空间和状态空间描述
第二节状态结构图
1. Δ状态结构图的绘制方法
第三节状态空间描述的建立
1. Δ由系统框图建立状态空间描述
2. 由系统机理建立状态空间描述
第四节化输入—输出描述为状态空间描述及其几种标准型式
1. Δ传递函数中没有零点时的实现
2. Δ传递函数有零点时的实现第五节  由状态空间描述求传递函数1. 求传递函数的方法2．的法捷耶夫算法1
)(--A sI 第六节  由状态空间描述求传递函数1. 由差分方程或脉冲函数求取离散状态空间描述第七节  状态矢量的线性变换1. 系统状态方程的非唯一性2. 系统特征值的不变性3. Δ特征矢量4. ΔΟ状态空间描述变换为约当标准型 第二章  线性系统的运动分析一、教学基本要求    了解状态方程自由解的定义；熟练掌握状态转移矩阵的基本性质、计算以及由状态转移矩
阵求系统矩阵的方法；掌握线性系统的运动分析；了解连续系统的时间离散化和线性离散系统的运动分析的方法。
二、教学内容
第一节  状态方程的齐次解（自由解）        1. 自由解的定义        2. 预解矩阵第二节  状态转移矩阵
1. 状态转移矩阵的定义
2. Δ状态转移矩阵的基本性质
3. 几个特殊的矩阵指数函数
4. Δ状态转移矩阵的计算
5. 由状态转移矩阵求系统矩阵第三节  线性系统的运动分析  1. 零状态响应        2. 线性系统的状态运动规律        3. 特定输入下的状态响应
第四节连续系统的时间离散化
1. 连续时间系统的离散化模型
2. 近似离散化模型
第五节线性离散系统的运动分析
1．递推法
2. Z变换法
第三章线性系统的能控制性与能观测性
一、教学基本要求
熟练掌握能控性的定义及能控性判据（约当标准型判据和秩判据）；熟练掌握能观测性的定义及能观测性判据；了解离散系统的能控性与能观测性；掌握能控性与能观测性的对偶关系；
熟练掌握能控标准型与能观测标准型；掌握系统的结构分解；掌握传递函数阵的实现问题；了解能控性和能观测性与传递函数零极点的关系。
二、教学内容
第一节能控性的定义
1. 能控性的定义
第二节能控性判据
1. Δ约当标准型判据
2. Δ秩判据
第三节能观测性及其判据
1. Δ能观测性的定义
2. Δ能观测性判据
第四节离散系统的能控性与能观测性
1. 离散系统的能控性
2. 离散系统的能观测性
3. 采样周期对离散化系统能控性和能观测性的影响
第五节能控性与能观测性的对偶关系
1. 线性系统的对偶关系
2. 对偶原理
第六节能控标准型与能观测标准型
1.Δ单输入系统的能控标准型
2.Δ单输出系统的能观测标准型
第七节系统的结构分解
1.按能控性分解
2.按能观测性分解
3.Δ○按能控性和能观测性分解（标准分解）
第八节传递函数阵的实现问题
1. 实现的基本属性
2. Δ能控性实现和能观测性实现
3. Δ最小实现
第九节能控性和能观测性与传递函数零极点的关系
1. 能控性和能观测性与传递函数零极点的关系
第四章控制系统的稳定性分析
一、教学基本要求
掌握动态系统的外部稳定性的定义；掌握动态系统的内部稳定性；理解李雅普诺夫判稳第一方法；掌握李雅普诺夫判稳第二方法；了解李雅普诺夫方法在线性系统中的应用。
二、教学内容
第一节动态系统的外部稳定性
1. Δ○控制系统外部稳定性的定义
第二节动态系统的内部稳定性
1. 系统的平衡状态
2．○状态向量范数
3. Δ李雅普诺夫意义下稳定性定义
第三节李雅普诺夫判稳第一方法
1. 非线性系统
2. Δ线性定常连续系统
matlab 下载第四节李雅普诺夫判稳第二方法

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